현대의 집적된 산업 사회에서 자정능력을 초과하여 발생하는 막대한 양의 유기성폐자원은 수질, 토양, 대기 등 총체적인 환경오염을 유발하는 처리 곤란 물질로 전락하였고, 화석연료의 지속적인 사용에 따른 온실가스의 방출은 지구온난화를 촉진시켰다. 개발된 회분식 공정을 적용하는 음식물쓰레기 수소발효에서, 세계 최초로 수소 전환율과 초기 및 운전 pH와의 관계를 수학적으로 표현하였고, 동시에 최적화하였다. 최적 초기 및 운전 pH는 각각 7.50, 6.01이었다. 축산폐수를 음식물쓰레기의 수소발효에 보조기질로 첨가 시 pH 제어를 위해 요구되는 알칼리량을 감소시킴과 동시에 수소발생률도 크게 증대시킬 수 있음을 관찰할 수 있었다.
현대의 집적된 산업 사회에서 자정능력을 초과하여 발생하는 막대한 양의 유기성폐자원은 수질, 토양, 대기 등 총체적인 환경오염을 유발하는 처리 곤란 물질로 전락하였고, 화석연료의 지속적인 사용에 따른 온실가스의 방출은 지구온난화를 촉진시켰다. 개발된 회분식 공정을 적용하는 음식물쓰레기 수소발효에서, 세계 최초로 수소 전환율과 초기 및 운전 pH와의 관계를 수학적으로 표현하였고, 동시에 최적화하였다. 최적 초기 및 운전 pH는 각각 7.50, 6.01이었다. 축산폐수를 음식물쓰레기의 수소발효에 보조기질로 첨가 시 pH 제어를 위해 요구되는 알칼리량을 감소시킴과 동시에 수소발생률도 크게 증대시킬 수 있음을 관찰할 수 있었다.
In the modern industrial society, huge amount of organic wastes have exceeded the society's self-cleaning capability, caused pollution of the whole environment, including water quality, soil, and the air, and become a big burden of waste treatment. Moreover, the emission of green house gases brought...
In the modern industrial society, huge amount of organic wastes have exceeded the society's self-cleaning capability, caused pollution of the whole environment, including water quality, soil, and the air, and become a big burden of waste treatment. Moreover, the emission of green house gases brought by the continual combustion of fossil fuels has facilitated the global warming. The simultaneous effect of initial and operational pH on $H_2$ yield was expressed using mathematical equation and optimized. The optimal initial and cultivation pH was 7.50 and 6.01, respectively. Addition of livestock wastewater to food waste substantially decreased the amount of alkali requirement and also improved the $H_2$ fermentation performance.
In the modern industrial society, huge amount of organic wastes have exceeded the society's self-cleaning capability, caused pollution of the whole environment, including water quality, soil, and the air, and become a big burden of waste treatment. Moreover, the emission of green house gases brought by the continual combustion of fossil fuels has facilitated the global warming. The simultaneous effect of initial and operational pH on $H_2$ yield was expressed using mathematical equation and optimized. The optimal initial and cultivation pH was 7.50 and 6.01, respectively. Addition of livestock wastewater to food waste substantially decreased the amount of alkali requirement and also improved the $H_2$ fermentation performance.
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문제 정의
이를 바탕으로 본 연구에서는 음식물쓰레기를 수소발효 시 초기 및 운전 pH를 동시에 최적화하는 연구를 진행하였다. 추가적인 식종균은 주입하지 않았으며, 50℃의 온도 조건에서 수소발효균의 자동 선별 능력을 활용하였다6).
제안 방법
발효 시작 전에 5분 간의 질소 가스 퍼징을 통해 혐기 조건으로 만들었으며, 온도는 water bath를 통해 50℃로 유지하였다. 가스 발생 및 조성은 0.5-5 h 마다, 액상은 2-10 h 마다 샘플링 후 분석하였다. 분석 방법은 기존 문헌에 상세히 표기되어있다6).
교반속도는 150 rpm이었고, 초기 및 운전 pH를 각각 6.0, 7.0, 8.0, 9.0±0.1, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0±0.2로 조절하여 실험을 진행하였다.
본 실험에서는 요구되는 알칼리량을 줄이기 위하여 유효부피 (200 mL)의 5, 10, 20, 30, 40%에 해당하는 축산폐수를 음식물쓰레기의 희석수 개념으로 첨가하였다. Fig.
실험에 이용된 회분식 반응기의 유효 부피 200 mL (전체 부피 635 mL)의 pH 조절이 가능하도록 제작된 원통형 반응기를 이용하였다. 교반속도는 150 rpm이었고, 초기 및 운전 pH를 각각 6.
음식물쓰레기를 50℃로 배양할 경우, 수소발효 효율을 증대시키기 위하여 초기 및 운전 pH를 동시에 최적화하였다. 최적 초기 및 운전 pH는 각각 7.
그래프에 잘 명시되어 있듯이 운전 pH 4를 제외하고는 6 mol OH - /g VS 이상의 많은 량의 알칼리가 요구됨을 관찰할 수 있었고, 이는 경제적으로 큰 부담이 될 수 있다. 이를 극복하기 위하여 알칼리도가 풍부한 축산폐수와의 혼합발효 실험을 진행하였다.
추가적인 식종균은 주입하지 않았으며, 50℃의 온도 조건에서 수소발효균의 자동 선별 능력을 활용하였다6). 이어서, pH 조절시 다량의 알칼리도의 공급이 요구되는데 이를 해결하기 위하여 상대적인 알칼리도가 풍부한 축산폐수와의 혼합발효 실험을 진행하였다7).
대상 데이터
실험에 사용된 음식물쓰레기의 TS(Total Solids), VS(Volatile Solids), COD(Chemical Oxygen Demand) 농도 및 pH는 각각 170 g/L, 152 g/L, 195 g/L, 4.4이었다. 한 편 축산폐수의 주요 성상은 COD, VSS(Volatile Suspended Solids), 알칼리도 농도및 pH는 각각 35 g/L, 11 g/L, 9,800 g CaCO3/L, 8.
데이터처리
한편, 운전 pH가 5-7인 경우, 초기 pH와 무관하게 1 mol H2/mol hexoseadded 이상의 값을 기록하였다. 이를 좀 더 자세히 알아보기 위하여 3차원 Mesh Plot (Fig. 1)을 적용하여 수소전 환율과 초기 및 운전 pH와의 관계식을 표현하였다 (SigmaPlot 9.0 이용). 본 식을 이용하여 구한 최적 초기 및 운전 pH는 각각 7.
성능/효과
다양한 조건에서의 수소 전환율을 Table 1에 제시 한바와 같이 초기 pH 보다는 운전 pH가 더 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 운전 pH가 4의 경우엔 초기 pH값과 무관하게 수소 전환율이 0.
4). 이 연구 결과는 고농도의 유기물을 함유한 음식물쓰레기의 수소발효 시 희석수 요구량과 알칼리 요구량을 절감하여 경제성을 증대시키고, 나아가 혼합발효를 통해 상승작용 (Synergism)을 가능하게 하는 주춧돌이 되는 결과로 판단된다8).
7690 (x=초기 pH, y=운전 pH) 과같이 표현할 수 있었다. 축산폐수를 음식물쓰레기에 보조기질로 첨가 시 축산폐수내의 풍부한 알칼 리도가 공급되어 수소 발효 시 pH 조절을 위해 필요한 알칼리량을 효과적으로 줄일 수 있었다. 또한 축산폐수를 혼합할 경우, 수소 생산량도 크게 증가 되었는데, 이는 축산폐수내에 풍부하지만, 음식물 쓰레기에는 부족한 영양물질 때문으로 판단되며 이에 대해서는 향후 심도있게 관찰할 예정이다.
후속연구
따라서 유기성폐자원을 안정화하고 바이오에너지로 자원화하는 효율적인 혐기성 소화 공정의 연구개 발은 사회적/환경적으로 큰 가치가 있다고 사료되며 이는 최근 화석에너지 고갈위기, 국제유가 급변 등의 요인과 더불어 기후변화협약에 따른 온실가스 저감을 위한 청정대체에너지 개발의 측면에서 반드시 연구되어야 할 기술이라 하겠다. 특히 청정에너지로 각광받고 있는 수소가스의 생산이 가능한 암발효 (dark fermentation) 공정은 2000년 후반부터 많은 연구가 진행되고 있다.
축산폐수를 음식물쓰레기에 보조기질로 첨가 시 축산폐수내의 풍부한 알칼 리도가 공급되어 수소 발효 시 pH 조절을 위해 필요한 알칼리량을 효과적으로 줄일 수 있었다. 또한 축산폐수를 혼합할 경우, 수소 생산량도 크게 증가 되었는데, 이는 축산폐수내에 풍부하지만, 음식물 쓰레기에는 부족한 영양물질 때문으로 판단되며 이에 대해서는 향후 심도있게 관찰할 예정이다.
3에 나와 있듯이, 축산폐수를 추가로 넣을 경우, 예상치 않게 수소 발생량이 증가 하였다. 탄수화물 농도는 1 g/L 이하로 축산폐수로 부터 수소를 회수할 수 있는 량은 미비하므로, 축산 폐수 내의 다른 물질이 음식물쓰레기로부터의 수소 발효 효율을 상승시켰을 것으로 판단되고, 이에 대해서는 향후 자세히 고찰할 계획이다. 하지만, 축산 폐수를 첨가할 경우, 요구되어지는 알칼리 첨가량이 줄어듬은 극명하였다 (Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혐기성 소화의 장점은 무엇입니까?
혐기성 소화는 이러한 유기성폐자원의 위해성을 제거하고 부피를 감량화하는 동시에 수소와 메탄과 같은 바이오가스를 생산하는 기술로 각광받고 있으 며, 유기성폐자원을 직접 소각하거나 RDF(refuse derived fuel)로 전환하는 것보다 혐기성 소화를 이용하여 바이오가스로 전환하는 경우 약 두 배의 에너지 효율을 얻을 수 있는 것으로 밝혀져 선진국을 중심으로 가장 효율적인 유기성폐자원의 처리 방법인 동시에 경제적인 방안으로 인식되고 있다. 선진 국의 경우 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오가 스는 청정·재생에너지로 인식되어 활발한 연구가 진행되고 있는 실정인 반면, 우리나라는 에너지 빈국임에도 불구하고 유기성폐자원을 이용한 바이오 가스의 생산 및 이용 기술개발은 아직 기초단계를 벗어나지 못하고 있는 실정이다3).
유기성폐자원이란 무엇을 의미합니까?
유기성폐자원은 인간의 활동으로 인해 폐기?발생되는 모든 유기체를 의미하며, 전통 사회에서는 생태계의 순환과정에서 인간이 사용한 에너지를 자연으로 되돌리는 중요한 역할을 수행하였다. 그러나 현대의 집적된 산업 사회에서 자정능력을 초과하여 발생하는 막대한 양의 유기성폐자원은 수질, 토양, 대기 등 총체적인 환경오염을 유발하는 처리?곤란 물질로 전락하고 말았다.
축산분뇨가 생물학적 처리만으로는 방류수 수질기준을 충족할 수 없는 이유는 무엇입니까?
8%를 차지하는 고농도의 유기물질이다 (2012년 기준).그 외에도 난분해성물질이 다량으로 존재하고 질소 (TN: 6,120 mg/L) 및 인(TP: 1,828 mg/L)의 농도가 매우 높아서 생물학적 처리만으로는 공공처리장의 방류수 수질기준 이하로 처리하기는 매우 어려운 실정이다. 또한 축산분뇨는 풍부한 영양원을 갖고 있는 부패성 물질이기 때문에 악취나 병원균의 전파와 같은 위생문제도 일으키고, 부패 시 NH3 , H2S, VFA(Volatile Fatty Acids, 유기산), Mercaptans, Cabonyls 등 악취를 유발한다.
참고문헌 (8)
Status of Waste Treatment, Department of Environment, (2014).
Status of livestock wastewater treatment, Department of Environment, (2014).
Assesment of biogasification of organic wastes business, National Assembly Budget Office, (2012).
Gioannis, G. D., Muntoni, A., Polettini, A., Pomi, R., "A review of dark fermentative hydrogen production from biodegradable municipal waste fractions", Waste Manage. 33, pp. 1345-1361. (2013).
Xiao, B., Han, Y., Liu, J., "Evaluation of biohydrogen production from glucose and protein at neutral initial pH", Int. J. Hydrogen Energ. 35, pp. 6152-6160. (2010).
Kim, D. H., Wu, J., Jeong, K W., Kim, M. S., Shin, H. S., "Natural inducement of hydrogen from food waste by temperature control", Int. J. Hydrogen Energ. 36, pp. 10666-10673. (2011).
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Kim, D. H. Kim, S. H., Kim, H. W., Kim, M. S., Shin, H. S., "Sewage sludge addition to food waste synergistically enhances hydrogen fermentation performance", Bioresource Technol. 102, pp. 8501-8506. (2011).
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